堿渣固化鋅污染土的工程性質(zhì)試驗研究

楊秀紅 何 洋 柯 然

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 概述

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，重金屬污染問題也越來越嚴(yán)峻。固化/穩(wěn)定法是目前常用的治理重金屬污染土的技術(shù)之一。固化/穩(wěn)定法采用機(jī)械攪拌將重金屬污染土與固化劑攪拌處理，通過一系列物理化學(xué)反應(yīng)達(dá)到固化污染物的目的。常用的固化劑有水泥、粉煤灰、石灰等[1,2]。關(guān)于利用水泥、粉煤灰、石灰等固化污染土已開展了大量的研究。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[3]：利用水泥固化低濃度的重金屬污染土，其工程特性都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；但對于高濃度的重金屬污染土，濾出液的重金屬濃度較高，不符合標(biāo)準(zhǔn)。只能通過提高水泥摻量來滿足要求，水泥摻量的提高就會大大增加治理成本，所以，必須研制新的固化劑來滿足穩(wěn)定的工程特性和低成本的雙重要求。查閱資料發(fā)現(xiàn)[4]，堿渣中含有大量的CaCO3,CaCl2,SiO2,CaO等化學(xué)成分，具有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，可用于土體的改良。而且，堿渣是氨堿法制堿過程中排放的廢棄物，大量的堿渣堆積形成一片白海，對周圍的環(huán)境造成了極大的污染。據(jù)統(tǒng)計，我國每年用于堿渣排放的費(fèi)用約為1 000萬元[5]。所以，用堿渣代替水泥作為新的固化劑改良污染土可以變廢為寶，一舉兩得。

因此，針對堿渣固化鋅污染土的強(qiáng)度特性、淋濾特性，本文通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、TCLP試驗，主要研究了初始鋅離子濃度與堿渣摻量對堿渣固化鋅污染土的工程特性、淋濾特性及微觀結(jié)構(gòu)變化的影響。

2 實(shí)驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自蕪湖市某小區(qū)工地粘土，取土深度3.0 m～3.5 m，呈黃褐色，硬塑狀態(tài),原狀土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

堿渣取自山東市濰坊某堿廠，主要成分有CaCO3,CaCl2,SiO2,CaO等，具體成分如表2所示。污染物選用六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)。

表2 堿渣的化學(xué)組成[7] %

2.2 試驗方法

2.2.1設(shè)計配合比

為比較不同堿渣摻量和不同鋅離子濃度對固化鋅污染土工程特性、淋濾特性及微觀結(jié)構(gòu)變化的影響，本試驗設(shè)計堿渣與干土的質(zhì)量比為20%,30%,40%,50%,60%；污染物采用六水合硝酸鋅，含量分別為5 000 mg/kg,10 000 mg/kg,20 000 mg/kg,30 000 mg/kg。

2.2.2試樣制備

首先將試驗用土和堿渣放在烘干箱(溫度100 ℃)中烘干24 h，取出土樣碾碎，過2 mm篩。根據(jù)設(shè)計的含水率(30%)和鋅離子濃度，將水與硝酸鋅混合攪拌，使其充分溶解。根據(jù)設(shè)計的堿渣摻量，將干土與堿渣攪拌均勻，加入鋅離子溶液，繼續(xù)攪拌使各摻量混合均勻。以試驗用土的最大干密度的90%為標(biāo)準(zhǔn)，將土樣制成φ5×5 cm的柱狀試樣，放入密封的塑料袋中，放在養(yǎng)護(hù)箱(溫度20%，相對濕度95%)中養(yǎng)護(hù)28 d。

3 實(shí)驗結(jié)果與分析

3.1 堿渣固化鋅污染土的強(qiáng)度特性分析

圖1為鋅離子濃度和堿渣摻量對固化鋅污染土的無側(cè)限強(qiáng)度影響。從圖1中可以看出，對任一鋅離子濃度，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著堿渣摻量的增加呈先增大后減小的趨勢,在堿渣摻量為30%時取到峰值，所以本試驗中堿渣的最優(yōu)配比為30%。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的明顯增加，是因為堿渣中的一些物質(zhì)與土體顆粒質(zhì)之間存在離子交換或水化反應(yīng)等，生成具有膠結(jié)作用的凝膠體，使試樣整體變得更加密實(shí)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的減小是因為純堿渣的強(qiáng)度幾乎沒有，所以摻入大量的堿渣后，沒有參與水化反應(yīng)的多余堿渣由于本身的性質(zhì)使得試樣強(qiáng)度降低。

從圖1中可以得到，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨鋅離子濃度的增加而減小。查閱文獻(xiàn)可知，鋅離子屬于兩性金屬，這一特征使得鋅的部分氫氧化物可逐漸溶解于水中，形成Ca[Zn(OH)3H2O]2等沉淀，這些沉淀物包裹了堿渣顆粒，使之不能與土中的水結(jié)合，從而抑制了水化反應(yīng)的進(jìn)行，所以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨鋅離子的增大呈下降趨勢。這一結(jié)果也與魏明俐等研究的高于臨界濃度0.05%，強(qiáng)度隨鋅離子濃度的增加而減小的試驗結(jié)果相一致。

3.2 堿渣固化鋅污染土的淋濾特性分析

如圖2所示為不同鋅離子摻量、不同堿渣摻量下浸出液中鋅離子的濾出濃度。從圖2可以看出，浸出液中鋅離子濃度隨堿渣摻量的增加而減小，這一結(jié)果說明堿渣對于鋅離子有著良好的固化作用。初始鋅離子濃度低于1%時，浸出液中鋅離子的濾出濃度隨堿渣摻量的增加變化不大，較為穩(wěn)定，且濾出濃度低于環(huán)境允許限值100 mg/L。這是因為堿渣與土的一系列物理化學(xué)反應(yīng)形成了CSH類的水化凝膠體，這些微孔隙物質(zhì)具有極大的比表面積和表面能，一方面可以吸附重金屬離子，另一方面還可以通過膠結(jié)包裹作用將金屬離子穩(wěn)定在土體內(nèi)。所以堿渣摻量越高，固化效果越好。

4 結(jié)語

本文通過對人工制備的不同堿渣摻量與不同Zn2+濃度的污染土進(jìn)行無側(cè)限試驗、淋濾實(shí)驗研究，來探索鋅污染土的工程性質(zhì)。得到了如下結(jié)論：

1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著鋅離子濃度的增加呈下降趨勢。2)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著堿渣摻量的增加先增大后減小，在堿渣摻量為30%時得到最大值。3)鋅離子含量較低時，固化效果良好；鋅離子含量較高時，濾出液中鋅離子濃度隨堿渣摻量的增加而下降。